一種硬幣存儲裝置控制系統的設計與實現

宋珂，徐駿善，劉殿金

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

1 系統控制框圖

單個的硬幣存儲裝置主要由外殼、出入幣口、帶柵格的轉盤等部分組成，其中出入幣口共用1個出口，單個的硬幣存儲裝置可以被設定接受1種面額的硬幣。上位機通過RS232串口向單片機發送命令實現通訊，控制系統采用STM32F103ZE芯片作為控制核心，用來檢測6個光電傳感器信號和驅動1個二相混合式步進電機及3個電磁鐵來實現硬幣存儲裝置接受硬幣和找零。其中出入幣口裝有4個傳感器和2個電磁鐵，傳感器1、2用來檢測入幣口硬幣，兩者是或的關系；傳感器3用來檢測硬幣是否入柵格；傳感器4用來檢測硬幣是否出柵格；電磁鐵1用來驅動擋片1擋住硬幣；電磁鐵2驅動擋片2打開讓硬幣進入柵格。另外傳感器5用來檢測轉盤是否轉動，傳感器6用來檢測轉盤初始位置，轉動1圈時消除步進電機在轉動時的累計誤差，電磁鐵3用來驅動硬幣推板推出硬幣，步進電機用來驅動轉盤逆時針和順時針轉動。控制系統框圖如圖1所示。

圖1 控制系統框圖

2 硬幣存儲裝置電路設計

硬幣存儲裝置的控制電路由STM32F103ZE的最小系統電路、RS232串口電路、電源轉換電路、光電傳感器檢測電路、電磁鐵驅動電路和步進電機驅動電路組成。其中STM32F103ZE最小系統主要由電源電路、復位電路、外部時鐘電路、JLINK下載電路及啟動模式電路組成；電源轉換電路主要使用LM2576芯片實現24 V轉5 V及24 V轉12 V和LM1117芯片實現5 V轉3.3 V；RS232串口電路則主要使用MAX3232電平轉換芯片以實現與上位機的數據的傳輸。

1) 光電傳感器檢測電路設計

光電傳感器檢測電路如圖2所示,主要使用比較器LM393，正向輸入端電壓固定，反向輸入端接紅外接收二極管陰極，輸出端上拉輸出，如圖2所示有兩路檢測信號Output A、Output B，分別接到STM32的IO口，由這2個口讀取輸出信號狀態。當接收二極管導通時，輸出高電平，同時發光二極管不亮；當接收二極管斷開，即有物體擋住時，輸出低電平，同時發光二極管亮。

圖2 光電傳感器檢測電路原理圖

2) 電磁鐵驅動電路設計

選擇的電磁鐵額定電壓為24 V，驅動電路如圖3所示，J5、J6網絡和電磁鐵兩端相連，整流二極管D3對電路起保護作用，STM32輸出IO口通過光耦、開關三極管來控制電磁鐵的導通和斷開。當單片機輸出口為低電平時，光耦的接收端導通，三極管導通，電磁鐵有電流通過動作；當輸出口為高電平時，光耦接收端斷開，三極管斷開，電磁鐵沒有電流通過也沒有動作。

圖3 電磁鐵驅動電路原理圖

3) 二相混合式步進電機驅動電路設計

L6208是ST公司推出的步進電機驅動芯片，工作電壓范圍廣(8～52 V),平均輸出電流可達2.8 A,峰值達5.6 A，可驅動絕大部分二相步進電機[5]。選用的步進電機驅動電壓是12 V，驅動電路如圖4所示。

(4)與水域面積最相關的因素是人口密度(X2)、固定資產總投資(X11)。人口密度每增加1人/km2，水域面積就增加3.817×104hm2。說明隨著城市化的發展，人們的生活水平提高，對環境質量的需求提高。

圖4 步進電機驅動電路原理圖

其中OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B與兩相步進電機相連，驅動芯片L6008D由CLOCK、CW/CCW、HALF/FULL、CONTROL、ENABLE、RESET信號控制,而這些端口的電平高低分別由主控芯片的各個IO口通過光耦控制。CLOCK信號通過定時器產生的PWM波并控制其頻率和個數，從而控制電機轉動的速度和角度大??；CW/CCW控制電機轉動方向，高電平為順時針方向，低電平為逆時針方向；HALF/FULL控制電機半步和全步模式，高電平為半步，低電平為全步；CONTROL控制電機衰減模式，高電平為慢速衰減模式，低電平為快速衰減模式；ENABLE控制使能信號，高電平使能；RESET控制復位信號，低電平復位。

3 系統軟件設計

系統程序采用STM32的固件庫函數在MDK環境采用C語言編寫、模塊化設計，主要使用到STM32調用庫函數設置GPIO口高低電平，系統SYSTICK時鐘精確延時，定時器PWM波配置產生一定頻率的PWM波控制步進電機轉速及定時器中斷計數控制PWM波的個數來控制步進電機轉動的角度以及向STM32移植多任務實時操作系統UCOS-II來調度多任務的運行等技術來實現對各個器件間的協調配合的控制。

1) 硬幣接收流程

上位機向下位機發送硬幣接收命令后，硬幣通過投幣口通道，再經過硬幣識別器識別為真幣后選擇一個硬幣存儲裝置開始接收硬幣。單個硬幣存儲裝置接收硬幣的流程如圖5所示，其中傳感器1、2檢測入幣口是否有硬幣，傳感器3檢測硬幣是否入柵格。

圖5 硬幣接收流程

2) 硬幣找零流程

上位機向下位機發送找零命令后，選擇一個硬幣存儲裝置開始找零。單個硬幣存儲裝置的找零流程如圖6所示，傳感器3檢測硬幣是否被推動，傳感器4檢測硬幣是否出柵格。

圖6 硬幣找零流程

3) 通訊協議

本控制系統上位機和STM32的通訊距離在2 m以內，使用RS232串口電路實現數據傳輸，通訊方式采用異步串行通訊、全雙工模式，波特率為9 600 bps，每個字節傳輸過程中有1位起始位、8位數據位、無校驗、1位停止位。控制系統中設計的通訊幀有2種類型，1種控制幀，1種數據幀?？刂茙挥脕碓谕ㄐ旁O備之間交換信息，比如，建立初始連接，控制傳輸流，進行請求糾錯等；數據幀用來傳輸信息，一幀中有報文數據自身的部分或全部信息，也可以包含應用到該信息上的控制信息[6]。設計的控制幀只包含報頭，無報文，有ACK(接收幀后的正確響應)、NAK(接收幀后的錯誤響應)、XOFF(拒絕接收幀)、XON(允許接收幀) 、ENQ(請求建立通信幀)5種類型，都為單幀；數據幀則既有報頭也有報文，有單幀也有多幀。

4 結語

本文控制系統的設計和程序的編寫已在實際運行中，根據上位機發送的命令很好地控制住了一個硬幣存儲裝置的硬幣的接收和找零，整個控制流程順利，能夠達到收幣2枚/s，找零4枚/s的性能指標。由于STM32F10ZE的硬件資源很豐富、實時性強，擁有112個GPIO口，8個定時器，能產生30路PWM波，順利控制1個硬幣存儲裝置后，能拓展控制多達6個硬幣存儲裝置的組合使用，從而也可以實現多種硬幣接收和找零的控制。

參考文獻:

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[4] 吳愛明,易力. 一種多幣種硬幣處理模塊的設計與實現[J]. 機電工程技術，2015,44(8):23-25.

[5] 李文廣,湯清華,吳國安. 基于AVR單片機和L6208的步進電機控制系統設計[J]. 電機與控制應用,2011,38(1):43-45,51.

[6] Behrouz A. Forouzan. 數據通信與網絡[M]. 吳時霖, 周正康, 吳永輝,等,譯. 第2版,北京：機械工業出版社,2002:257-260.